La grande scoperta delle onde gravitazionali predette da Einstein!

Il LIGO (Laser Interferomet

er Gravitational-Wave Observatory) ce l’ha fatta. La conferma delle onde gravitazionali è reale, gli scienziati riescono adesso a sentirle e la prima rilevazione proviene da uno dei fenomeni più energetici di tutto l’Universo, la fusione di due buchi neri!
Gabriela Gonzalez, Rainer Weiss e Kip Thorne (sinistra-destra) applaudono mentre il direttore esecutivo David Reitze di LIGO annuncia la rilevazione delle onde gravitazionali.
Cento anni dopo la predizione di Albert Einstein per l’esistenza delle onde gravitazionali, gli scienziati sono finalmente riusciti a trovare queste debolissime increspature dello spazio-tempo.
L’11 Febbraio 2016, i fisici dell’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno annunciato che i loro rivelatori gemelli hanno sentito il suono delle onde gravitazionali prodotte dalla collisione di due buchi neri a circa 1.3 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra.
“Signore e signori, abbiamo trovato le onde gravitazionali,” David Rietze, direttore esecutivo del Laboratorio LIGO, ha detto alla conferenza stampa a Washington D.C. “Ce l’abbiamo fatta!”
Un buco nero aveva una massa di circa 36 masse solari, mentre l’altro di 29 masse solari. Spiraleggiando inesorabilmente l’uno verso l’altro, si sono fusi in un singolo, e più massivo, catino gravitazionale dello spazio-tempo, con una massa finale di 62 masse solari, secondo le stime di LIGO.
“Queste incredibili osservazioni sono la conferma di una grande mole di lavoro teorico, includendo anche la teoria della relatività generale di Einstein, la quale predice le onde gravitazionali,” dice il fisico Stephen Hawking della University of Cambridge, Regno Unito. Hawking fa notare che lo stesso Einstein non ha mai creduto all’esistenza dei buchi neri.
Questo è il primo evento di fusione tra buchi neri che gli scienziati abbiano mai osservato. Il violento evento ha irradiato per pochi istanti – sotto forma di onde gravitazionali – una energia considerevolmente più grande di quella emessa sotto forma di luce da tutte le stelle visibili nell’Universo osservabile, durante lo stesso intervallo di tempo.
Quando il segnale viene riprodotto in sonoro, le onde generano un inconfondibile “cinguettio” – un tono che aumenta rapidamente – seguito da una rapida caduta, il segno della radiazione emessa dall’avvenuta fusione dei due buchi neri. L’intensità di questo segnale consente anche di fornire una stima approssimativa del momento in cui il fenomeno è accaduto: tra circa 600 milioni e 1.8 miliardi di anni fa.
L’immagine riassume come l’interferometro LIGO sia riuscito a catturare le onde gravitazionali. Il primo schema in alto illustra il fenomeno della fusione di due buchi neri, in orbita spiraleggiante l’uno intorno all’altro. I due buchi neri che hanno prodotto il segnale avevano 29 e 36 masse solari ciascuno. Nel secondo schema e negli altri 4 a seguire subito sotto vediamo raffigurato l’interferometro LIGO con i sui due bracci di 4 km di lunghezza ciascuno. Un fascio laser viene prima diviso in due parti, ciascuna delle quali si propaga avanti e indietro lungo un braccio dell’interferometro, per poi essere dinuovo combinate insieme e rilevate. In linea di principio i due percorsi dovrebbero essere identici, e dunque i due fasci laser ricombinati non darebbero alcuna informazione. Ma quando un’onda gravitazionale passa, lo spazio viene modificato in modo diverso per i due bracci (a seconda della direzionalità dell’onda) e se ciò avviene i percorsi effettuati dai due fasci laser saranno differenti tra di loro, generando così uno sfasamento nella ricombinazione osservata sul rivelatore. L’ultima immagine in basso mostra la mappa degli attuali e futuri interferometri per onde gravitazionali che collaboreranno con LIGO in modo da costituire una ampia rete di strumenti che permetterà triangolazioni per misure più accurate dei segnali.
Il lavoro verrà pubblicato in una serie di articoli su Physical Review Letters e sul The Astrophysical Journal.
Questa storica scoperta – che i fisici dicono condurrà probabilmente molto presto ad un premio Nobel – apre il nuovo campo dell’astronomia ad onde gravitazionali, in cui gli scienziati ascolteranno le onde per capire di più sugli oggetti che le possono produrre, includendo buchi neri, stelle di neutroni e supernovae.
“Questo è solo il primo passo in uno sviluppo molto più ampio ed entusiasmante,” dice Ilya Mandel, un fisico teorico all’University of Birmingham, Regno Unito. Le onde gravitazionali verranno accoppiate allo studio dei raggi-gamma, dei raggi-X e delle onde radio come “parte dei mezzi a nostra disposizione per comprendere l’Universo”, egli afferma.
E’ anche una vittoria da tempo agognata per l’esperimento LIGO, il quale ha trascorso un decennio alla ricerca del segnale già agli anni 2000, prima che un finanziamento di 200 milioni di dollari arrivasse per realizzare un potenziamento delle capacità dei due rivelatori gemelli, uno situato a Livingston in Louisiana, e l’altro ad Hanford, nello stato del Washington.

L’onda della scoperta
La scoperta in sè è stata realizzata ancor prima che la versione potenziata dello strumento, chiamato Advanced LIGO, potesse ufficialmente divenire operativa acquisendo dati scientifici. Alle 11:50 di mattina in Central European Time del 14 Settembre scorso, durante la prima sessione osservativa dell’esperimento, il fisico di LIGO Marco Drago al Max Planck Institute for Gravitational Physics in Hannover, Germania, ha osservato uno strano segnale nel suo computer.
Il software che analizza i dati in tempo reale indicava che entrambi gli interferometri hanno visto un segnale a forma d’onda che riproduceva il cinguettio di un uccellino con una intonazione in rapida ascesa. Entro un’ora, la notizia è giunta al capo di Drago, il fisico Bruce Allen. La registrazione sembrava troppo buona per essere vera. “Quando l’ho visto per la prima volta ho detto, ‘Sarà di sicuro una blind injection,” dice Allen (vedi più giù a seguire di cosa si tratta!).
Era una oscillazione che ha avuto inizio a 35 cicli per secondo (hertz) ed è rapidamente cresciuta fino a 250 hertz. Poi è diventata caotica e si è velocemente smorzata; l’intera cosa è avvenuta nell’arco di un quarto di secondo. Altro elemento cruciale è che entrambi i rivelatori l’hanno percepita all’incirca nello stesso momento – Livingston per primo e Hanford 7 millisecondi dopo. Quel ritardo è indicazione di come l’onda gravitazionale si sia propagata attraverso la Terra.
Altri rilevatori di onde gravitazionali – l’interferometro Virgo vicino Pisa, in Italia, e il GEO600 vicino Hannover – non erano operativi nel momento in cui l’evento è stato registrato e pertanto non hanno potuto confermare il segnale. Se l’Advanced Virgo fosse stato operativo, avrebbe probabilmente rilevato l’evento anch’esso, dice il suo portavoce Fulvio Ricci, un fisico all’Università di Roma La Sapienza. Gli scienziati di LIGO hanno eseguito una serie di controlli molto accurati per assicurarsi che il segnale fosse reale e che significasse ciò che pensavano.
In passato, alcuni dei primi membri del team LIGO hanno testato la capacità del gruppo di compiere una possibile scoperta inserendo segretamente delle cosiddette “blind injections”, letteralmente iniezioni di un falso segnale di onde gravitazionali nel flusso dei dati per verificare se il team di ricerca fosse in grado di distinguere tra ciò che era reale e ciò che era un falso segnale. Ma a Settembre la rilevazione è avvenuta prima che le blind injections venissero eseguite, quindi si è ritenuto che si trattasse di un segnale proveniente da un reale fenomeno astrofisico nell’Universo.
Per localizzare la sorgente di onde gravitazionali, i ricercatori devono triangolare il segnale misurato da differenti siti sparsi per il pianeta. Quando entrambi i rilevatori LIGO opereranno insieme a Virgo e GEO600, gli scienziati saranno in grado di localizzare meglio future sorgenti di onde gravitazionali. Un altro interferometro in Giappone è in fase di sviluppo, e il terzo sito LIGO in India sta per essere iniziato. Una maggiore diffusione geografica di rilevatori rafforzerebbe il livello di confidenza su qualsiasi segnale.

Rilevazione diretta
La teoria della relatività generale di Einstein predice che ogni evento cosmico che disturba la trama dello spazio-tempo con una forza sufficiente, produce delle increspature gravitazionali che si propagano attraverso l’Universo. La Terra dovrebbe essere inondata da queste onde – ma nel tempo necessario affinchè esse ci raggiungano, le distorsioni che esse riescono a provocare sono davvero minuscole.
Nel 1974, i fisici Joseph Taylor e Russel Hulse, all’University of Massachusetts Amherst hanno indirettamente confermato l’esistenza delle onde gravitazionali tramite l’osservazione di flash radio emessi da una coppia di stelle di neutroni spiraleggianti l’una attorno all’altra; gli sfasamenti temporali dei flash radio erano in accordo con le predizioni di Einstein su come le onde gravitazionali potessero portare via energia dall’evento. Quella scoperta è valsa loro nel 1993 il premio Nobel per la fisica.
Il segnale delle onde gravitazionali rilevato dalle stazioni gemelle LIGO. Nell’immagine in alto, in arancione, il segnale del sito di Hanford nello stato di Washington D.C. Sovrapposto in giallo il segnale teorico previsto delle simulazioni ottenute tramite la teoria della Relatività Generale. Nel riquadro centrale descrizione analoga ma stavolta con i dati raccolti dal sito di Livingston, in Louisiana. Il terzo grafico (in basso), mostra la sovrapposizione dei due segnali, dopo avert tolto lo sfasamento dovuto al ritardo temporale nella propagazione dell’onda, mettendo in evidenza la grande corrispondenza ottenuta con due strumenti completamente indipendenti l’uno dall’altro.
Ma una osservazione diretta delle onde gravitazionali ha dovuto attendere la sensitività raggiunta dall’Advanced LIGO, il quale è in grado di misurare stiramenti e compressioni dello spazio-tempo che sono grandi quanto 1 parte su 1022 — paragonabile alla variazione della larghezza di un capello a confronto della distanza tra il Sole e Alpha Centauri, la stella più vicina al nostro Sistema Solare.
Gli interferometri gemelli di LIGO fanno rimbalzare fasci laser tra specchi posti alle estremita opposte di tubi a vuoto lunghi 4 chilometri e disposti perpendicolarmente tra di loro. Un’onda gravitazionale che passa attraverso altererà la lunghezza dei due bracci in modo diverso, facendo sì che i fasci laser si sfasino leggermente.
Finanziate dalla National Science Foundation statunitense, le macchine sono state progettate e costruite da una squadra di ricerca del California Institute of Technology (Caltech) a Pasadena e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) a Cambridge. Kip Thorne e Ronald Drever del Caltech, insieme a Rainer Weiss dell’MIT, sono stati i fondatori originari di LIGO.
Più di 1000 scienziati fanno adesso parte della collaborazione LIGO. Tramite lo studio delle onde gravitazionali, questa nuova generazione di ricercatori prevede di indagare campi della fisica totalmente inesplorati, includendo la gravità a strong-field, l’Universo primordiale, e il comportamento della materia a densità molto elevate.
Hawking afferma che vorrebbe utilizzare le onde gravitazionali per il suo teorema dell’area: cioè che “l’area del buco nero finale è maggiore della somma delle aree dei buchi neri che lo hanno originato.” Egli aggiunge: “Questo è soddisfatto dalle osservazioni.”

Di Enrico Corsaro – fonte: https://www.astronomia.com/2016/02/12/la-grande-scoperta-delle-onde-gravitazionali-teorizzate-da-einstein/